動(dòng)物及人體生理學(xué)

1、第二章 細(xì)胞膜動(dòng)力學(xué)和跨膜信號(hào)通訊,一、細(xì)胞膜的分子結(jié)構(gòu)及其組成 The molecule structures of cell membrane.,質(zhì)膜 (plasma membrane), 單位膜 (unit membrane)化學(xué)組成脂質(zhì) (lipids)蛋白質(zhì) (proteins)糖 (carbohydrates),第一節(jié) 細(xì)胞膜超微結(jié)構(gòu)及物質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運(yùn),液態(tài)鑲嵌模

2、型(fluid mosaic model) (Singer和Nicholson提出, 1972 年),基本內(nèi)容： 膜的結(jié)構(gòu)特征是以液態(tài)的類脂質(zhì)雙分子層為基架，其中鑲嵌著具有不同生理功能的各種蛋白質(zhì)分子。,The molecular structure of cell membrane. A mammalian cell membrane is composed of two layers of lipi

3、d in which protein molecules are embedded.,脂質(zhì)以雙分子層形式存在,磷脂：＞70%親水性的極性基團(tuán)(磷酸和堿基)疏水性的非極性基團(tuán)(脂肪酸側(cè)鏈)膽固醇：＜30%鞘脂：少量脂質(zhì)的性質(zhì)： 液態(tài)，脂溶性，柔軟性 和一定的流動(dòng)性。其流動(dòng)性大小與某些成分的含量有關(guān)。脂質(zhì)的作用：屏障,,蛋白質(zhì),a－螺旋或球形結(jié)構(gòu)整合蛋白質(zhì)或內(nèi)在蛋白質(zhì) (integr

4、al proteins or intrinsic proteins)周圍蛋白質(zhì)或表面蛋白質(zhì) (peripheral proteins or extrinsic proteins),,膜蛋白質(zhì)的主要功能,物質(zhì)、能量、信息的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)或轉(zhuǎn)換. 載體 (carrier) 通道 (channel) 離子泵 (pump) 受體 (receptor) 酶 (enzyme) 免疫 (immune),細(xì)胞膜的糖類

5、,寡糖或多糖鏈形成糖脂和糖蛋白糖被或細(xì)胞外衣 (glycocalyx or cell coat)主要功能： ① 細(xì)胞的“標(biāo)記”，如作為抗原決定簇 ② 膜受體的“識(shí)別”部分,二、細(xì)胞膜的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn) The transport function across cell membrane.,轉(zhuǎn)運(yùn)形式包括被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn) (passive transport)主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn) (active transport),(

6、一) 單純擴(kuò)散 (simple diffusion ),脂溶性物質(zhì)或氣體順濃度差的跨細(xì)胞膜轉(zhuǎn)運(yùn)。 如O2、CO2、乙醇、脂肪酸。 高濃度區(qū) 低濃度區(qū)跨膜物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的擴(kuò)散通量決定于 電化學(xué)梯度 膜的通透性 (permeability),Lipid-soluble molecules are capable of moving free

7、ly across the cell membrane by simple diffusion down their concentration gradients.,,水孔蛋白(aquaporin) 水溶性分子可通過(guò)水孔蛋白形成的特異 通道進(jìn)出細(xì)胞。,(二) 膜蛋白介導(dǎo)的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn) 易化擴(kuò)散 (facilitated diffusion ),不溶于脂質(zhì)或難溶于脂質(zhì)的物質(zhì)，在膜蛋白的幫助下從高濃度側(cè)向低濃度

8、側(cè)跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。 如葡萄糖、氨基酸、離子等。以載體(carrier)為中介的易化擴(kuò)散以通道(channel)為中介的易化擴(kuò)散,1. 由載體介導(dǎo)的易化擴(kuò)散 (carrier-mediated diffusion),特點(diǎn)：高度結(jié)構(gòu)特異性 (specificity)飽和現(xiàn)象 (saturation)競(jìng)爭(zhēng)性抑制 (competition)順濃度梯度，不需額外供能,2.由通道介導(dǎo)的易化擴(kuò)散 (c

9、hannel-mediated diffusion),特點(diǎn)： 有一定特異性，但沒(méi)有載體嚴(yán)格; 可以處于開(kāi)放或關(guān)閉的不同功能狀態(tài)，通透性變化快。 跨膜電流 (transmembrane current)：當(dāng)通道開(kāi)放引起帶電離子跨膜移動(dòng)形成的電流。,,被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)的特點(diǎn)： 順濃度梯度移動(dòng)，無(wú)需細(xì)胞額外供能,(三) 主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn) (active transport),概念： 細(xì)胞膜通過(guò)本身的

10、某種耗能過(guò)程，將 某些物質(zhì)經(jīng)細(xì)胞膜逆濃度梯度或電位 梯度轉(zhuǎn)運(yùn)的過(guò)程。特點(diǎn)： 逆濃度梯度進(jìn)行，消耗能量。,In some situations, the molecules pass though the membrane against a concentration gradient and this process is called active trans

11、port.,1. 原發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn) (primary active transport),轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(transporter protein) 分解ATP,鈉-鉀泵（sodium-potassium pump）,存在于細(xì)胞膜上的一種具有ATP酶活性 的特殊蛋白質(zhì)。 受Mg2+濃度的影響，分解ATP釋放能量，進(jìn)行 Na+ 、K+逆濃度和電位梯度的轉(zhuǎn)運(yùn)。ATP：Na+：K+＝1：3：2,鈉-鉀泵的生理意義,維持細(xì)胞內(nèi)

12、高K+ 是許多代謝反應(yīng)進(jìn)行的必需條件。維持細(xì)胞外高Na+ 使得Na+不易進(jìn)入細(xì)胞，也阻止了與之相伴 隨的水的進(jìn)入，對(duì)維持正常細(xì)胞的滲透壓 與形態(tài)有著重要意義。建立勢(shì)能貯備 是神經(jīng)、肌肉等組織具有興奮性的基礎(chǔ)， 也是一些非離子性物質(zhì)如葡萄糖、氨基酸 等進(jìn)

13、行繼發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)的能量來(lái)源。,2. 繼發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn) (secondary active transport ) 逆濃度梯度或逆電位梯度的轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)，能量 來(lái)自膜兩側(cè)Na+濃度差，而Na+濃度差是 Na+--K+泵分解ATP釋放的能量建立的。 同向轉(zhuǎn)運(yùn) (symport, cotransport) 反向轉(zhuǎn)運(yùn) (antiport, c

14、ountertransport),(四) 胞吞和胞吐 (endocytosis & exocytosis),指細(xì)胞外某些物質(zhì)團(tuán)塊（如蛋白質(zhì)、脂肪顆粒、侵入體內(nèi)的細(xì)菌或異物等）進(jìn)入細(xì)胞的過(guò)程。吞噬 (phagocytosis)吞飲 (pinocytosis) 胞吮(potocytosis) 胞膜窖胞吮 (caveolae potocytosis) 受體介導(dǎo)式入胞 (

15、receptor-mediated endocytosis) （現(xiàn)認(rèn)為是一種最重要的入胞形式）指一些大分子物質(zhì)或固態(tài)、液態(tài)的物質(zhì)團(tuán)塊由細(xì)胞排出的過(guò)程。,If the molecules are bigger, they cannot cross the membrane through the channel or carrier, and those substances get into or o

16、ut of the cell through even more complicated mechanisms called endocytosis and exocytosis, respectively.,入胞和出胞均要消耗能量,細(xì)胞的跨膜信號(hào)傳遞 transmembrane signal transmission of cell,膜通道跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)膜受體-G蛋白-第二信使跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo) 激酶相關(guān)受體介導(dǎo)跨

17、膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo) (transmembrane signal transduction),第二節(jié) 細(xì)胞間通訊和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),（一）膜通道跨膜信號(hào)傳遞系統(tǒng) (transmembrane signal transmission system via membrane channels),化學(xué)門控通道 （興奮收縮耦聯(lián)） nAChR：α1、α2、β、γ、δG

18、lu、Asp、 GABA、Gly、ATP、5-HT受體電壓門控通道 （神經(jīng)、心?。?種Na+、5種K+、3種Ca2+機(jī)械門控通道（平滑肌細(xì)胞、內(nèi)耳毛細(xì)胞）,通道轉(zhuǎn)運(yùn)離子的機(jī)制 ─ 門控 (gate control),通道的開(kāi)放或關(guān)閉決定于：膜兩側(cè)的電位差 電壓門控性通道 ( voltage-gated channel)膜兩側(cè)的特定化學(xué)性信號(hào) 化學(xué)門控性通道（chemically-gate

19、d channel）膜的機(jī)械活動(dòng) 機(jī)械門控性通道（mechanical-gated channel）,Ach受體,離子通道型受體,煙堿 (nicotine)毒蕈堿 (muscarine),電壓門控鈉通道 (voltage-gated sodium channel, VGSC),Structure of the voltage-gated sodium channel,Shaker鉀通道,電壓門控鉀通道

20、 (voltage-gated potassium channel),,鉀通道孔道俯視圖,從通道外側(cè)觀察孔道中間的紅球?yàn)镵+,L型鈣通道,電壓門控鈣通道 (voltage-gated calcium channel, VGCC),（二）受體-G蛋白-第二信使跨膜信號(hào)傳遞系統(tǒng) (transmembrane signal transmission system via

21、receptor-G protein-second messenger),跨膜信號(hào)傳遞的三個(gè)環(huán)節(jié)： 胞外信號(hào)的識(shí)別與結(jié)合 信號(hào)傳遞 胞內(nèi)效應(yīng),1. G蛋白耦聯(lián)的受體,mAchR、多巴胺、5-HT、P物質(zhì)、K物質(zhì)、組胺受體等（7次跨膜α螺旋）,2. G蛋白 (G-proteins),鳥(niǎo)苷酸結(jié)合蛋白(GTP-binding proteins) 存在于膜結(jié)構(gòu)中的蛋白質(zhì)。 G蛋白： α、β 、γ（

22、多種）,One pattern involves receptors on the cell surface which are coupled with guanine nucleotide-binding proteins or G proteins on the inner face of the membrane.,The basic mode of operation of G-proteins.,3. 效應(yīng)器酶和第二信使,腺

23、苷酸環(huán)化酶：ATP → cAMP 磷脂酶C：PIP2 → IP3、DG,The stimulation and inhibition of adenylyl cyclase by different G-proteins.,以環(huán)-磷酸腺苷(cAMP)第二信使的信息傳遞系統(tǒng),化學(xué)物質(zhì)與膜G-蛋白偶聯(lián)受體結(jié)合 → 膜中的G-蛋白激活(Gs) → ATP轉(zhuǎn)化為cAMP → 胞內(nèi)cAMP濃度增高 → 激活蛋白激酶A(PKA) → 激活多種蛋白

24、 → 細(xì)胞功能改變,PIP2水解所觸發(fā)的第二信使級(jí)聯(lián)反應(yīng),以三磷酸肌醇(IP3)和二酰甘油(DG)為第二信使的信息傳遞系統(tǒng),化學(xué)物質(zhì)與膜受體結(jié)合 → 膜中的G蛋白激活 → 膜中的磷脂酶C(PLC)激活 → 磷脂酰肌醇生成IP和DG → IP3和DG分別誘發(fā)胞內(nèi)Ca2+釋放和蛋白激酶C激活(PKC) → 誘發(fā)細(xì)胞功能改變,直捷通路（離子通道）,mAchR,（三）激酶相關(guān)受體介導(dǎo)跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),激酶受體 酪氨酸激酶受體

25、 (receptor tyrosine kinase，RTK) （神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子受體，生長(zhǎng)因子受體和細(xì)胞因子受體等） 參與細(xì)胞生長(zhǎng)、分化、胚胎發(fā)育及細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳遞等過(guò)程， 具有相當(dāng)重要的生理功能， 鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶受體 (guanylate cyclase receptor)JAK相關(guān)激酶受體

26、 Just another kinase 或 janus kinase 是一類非受體酪氨酸激酶家族， 已發(fā)現(xiàn)四個(gè)成員，即JAK1 、JAK2 、JAK3 和TYK1。 JAK-STAT途徑 （signal transducer and activator of transcription，STAT）,本身具有酶的活性或與酶相結(jié)合。 被激活后，激活本身或相